2.1.2. Физические основы работы лазера

Область видимого света представляет собой очень узкую область спектра электромагнитных волн. В физике принято также считать светом соседние области – в диапазоне длинных волн ближнюю инфракрасную область спектра и в диапазоне коротких волн – ультрафиолетовую область спектра. Спектр электромагнитных волн представлен на рис. 31.

Рис. 31. Спектр электромагнитных волн

Электромагнитным волнам присущи все свойства, которые имеет волна в физике (интерференция, дифракция, преломление). В то же время каждой волне электромагнитного спектра можно приписать характеристики частицы. Частицами электромагнитной волны являются фотоны. И напротив, каждой частице можно приписать волновые качества (волна де Бройля, электронный микроскоп). Эта особенность электромагнитных волн и частиц называется пространственно-волновым дуализмом. В зависимости от того, что является наиболее существенным при описании процессов, связанных с лазером, к электромагнитной волне можно применять понятия частицы или волны.

Электроны, в соответствии с теорией Резенфорда могут двигаться вокруг ядра по следующим траекториям:

• по постоянным траекториям, соответствующим определенным энергетическим уровням;

• электроны переходят с одного энергетического уровня на другой, отдавая при этом энергию в виде излучения (например, свет – эмиссия излучения) или принимая энергию (поглощение излучения).

Если электрон переходит на более высокий энергетический уровень, то он имеет энергию Еа. Если он находится в энергетически более низком состоянии, то он имеет энергию Ев. Самый низкий уровень принято называть основным. При этом энергия атома – наименьшая. Остальные, более высоко расположенные уровни, принято называть возбужденными. Им соответствуют более высокие энергии атома.

Разность энергий между уровнями внешних валентных электронов атома соответствует энергии излучения видимого света. Разность энергий между уровнями внутренних электронов больше и она соответствует рентгеновскому излучению.

Поглощение энергии – это переход с более низкого энергетического уровня на более высокий уровень (рис. 32, а), а поглощенная частица излучения, фотон, имеет энергию, равную разности энергий этих уровней. Только в этом случае возможно поглощение (рис. 32).

Рис. 32. Поглощение и эмиссия излучения атомами

Разница энергий (т.е. энергия фотона) выражается:

Еа – Ев = h   , (10)

где Еа – энергия электрона в возбужденном состоянии;

Еа – энергия на нижнем уровне;

h – постоянная Планка (6,62  10^-34 дж.с);

 – частота, (с^-1).

Электроны после короткого пребывания в возбужденном состоянии ( 10^-8) стремятся возвратиться спонтанно назад в более низкое состояние Ев (рис. 32, б). Этот процесс называют "спонтанной эмиссией". При этом электрон отдает свою энергию в виде электромагнитного излучения, т.е. в виде фотона. В самом низком состоянии атом является стабильным. Процесс спонтанного излучения носит вероятностный характер, т.е. различные атомы вещества излучают не одновременно и независимо, поэтому фазы электромагнитных волн, излучаемых отдельными атомами, не согласованы друг с другом. Случайный характер имеет не только момент испускания атомом фотона, но и направление распространения и его поляризация (направление электрического поля в электромагнитной волне). Разброс имеет также и частота излучения . В результате этого суммарное спонтанное излучение вещества всегда является некогерентным.

Если в возбужденный атом (находящийся на более высоком энергетическом уровне) попадает фотон с энергией Еав, то переход атома на уровень Ев ускоряется. В этом процессе первоначальный фотон сохраняется и процесс называется вынужденным излучением. Вынужденное излучение вещества в лазере возникает в результате согласованного по частоте и направлению, почти одновременного испускания электромагнитных волн огромным количеством атомов или молекул под действием внешнего электромагнитного поля. Вынужденное излучение может происходить в диапазонах радиоволн, ИК излучения, видимого света и УФ излучения. Оба фотона имеют одинаковую энергию, распространяются в одном направлении, имеют одинаковую пространственную и временную фазу. Все эти явления служат предпосылкой существования лазера.